Биогеохимический цикл кальция (BIOGEOCHEMICAL CYCLE OF CALCIUM) Кальций в составе Земли Кальций (Ca) занимает место в ряду главных элементов Земли. Его содержание в коре 3. 6%. Содержание Ca уменьшается с глубиной литосферы от 5. 8% в базальтовом слое до 2. 7% в граните. Кальциевые минералы сформировались на ранних стадиях кристаллизации магмы (см. Chapter 2, Section 2). Высокое содержание Ca в коре стало основой для появления 385 различных минералов, среди которых половина представлена силикатами в глубинном слое. В тоже время, большие размеры катиона Ca+ не позволяют ему включаться в структуру hypergenic силикатов. Ronov (1976) оценил среднее содержание Ca. O в осадочном слое величиной 15. 9 %, и в гранитном слое - 2. 7 %. Следовательно, запасы кальция в осадочном слое составляет 273 х1015 тонн, и в гранитном 223 х1015 тонн. Выветривание и метаморфозы глубинного слоя силикатов сопровождается образованием глинистых минералов и образование кальция в форме, доступной для растений и микроорганизмов
Пулы и потоки кальция в биосфере (Calcium Pools and Fluxes in the Biosphere) Кальций вовлечен в углеродный и азотный метаболизм растений и является незаменимым для построения внутреннего и внешнего скелетов животных. Кальций играет роль в регуляции физиологических процессов (например, участвует в регуляции свертывания крови). Среднее содержание кальция в тканях растений от 0. 9% (Bazilevich, 1974) до 1. 8% (Boven, 1966). Запасы кальция в биомассе наземных растений составляют от 22, 5 до 45 х109 тонн. Океанические фотосинтезирующие организмы бедны кальцием и его запасы соответствуют 3, 4 х107 тонн. Принимая современную оценку содержания кальция в мертвом органическом материале суши равной 0. 5%, его запасы в этом пуле составляют 15 х109 тонн. Таким образом, величины пулов кальция в мертвой и живой биомассе в наземных экосистемах сопоставимы. В океаническом растворенном органическом материале среднее содержание Ca может составлять 0. 5%, это соответствует 20 х109 тонн в данном резервуаре.
Растворимые формы кальция в природных водах (Solubility of Calcium Species in Natural Waters) Водорастворимые неорганические соединения кальция в большинстве случаев представлены бикарбонатами. Са(НСО 3)2 постоянно поступает в реки и затем мигрирует в океан. Карбонат кальция имеет исключительно низкую растворимость в воде, Ksp = 6 x 10 -9 (моль/л)2 при 25°C. Бикарбонат кальцоя образуется в реакции карбоната кальция с угольной кислотой. Эту реакцию можно записать как Ca. CO 3(s) + H 2 CO 3(aq) Ca(HCO 3)2 (aq). Процесс идет медленно, т. к. константа равновесия мала 5, 3 х10 -5 моль/л 2. Поскольку анион карбоната является основным, растворимость Ca. CO 3(s) увеличивается при понижении p. H. Известно, что даже в незагрязненных дождевых осадках вода имеет слабокислую реакцию (p. H 5. 6). Реакция взаимодействия углекислого кальция с угольной кислотой ответственна за образование на протяжении тысяч лет карстовых пещер и гротов в известняковых породах.
Растворимые формы кальция в природных водах (Solubility of Calcium Species in Natural Waters) Благодаря динамическому равновесию между атмосферным диоксидом углерода и океаническим бикарбонатным ионами, громадные количества растворимых катионов кальция находятся в океане. Его масса на четыре порядка превосходит массу связанного кальция в живом и мертвом материале наземных и морских организмов. При среднем содержании кальция в морской воде 408 мг/л, общие его запасы составляют 559 x 1012 тонн. Актуальная концентрация кальция в морской воде примерно в 30 раз выше, чем в речной воде. Это связано с низкой растворимостью карбонатов и, особенно, с интенсивным включением кальция в планктонные организмы с последующим запасанием кальция в пеллетах. Эти процессы способствуют обширному накоплению кальция в массивных слоях известняка, доломита, известковой глины и других Ca-содержащих пород (see Box 8).
Box 8. Почему карбонаты кальция спонтанно не выпадают в осадок? Существует парадокс, связанный с тем, что в морской воде карбонат кальция не образует осадка, но ни морской шельф, ни пляж при этом не являются растворимыми. Это указывает на то, что океаны не находятся в равновесии в системе Ca. CO 3(s)/Ca 2+(aq)/CO 32 -(aq). Однако, осаждение не подтверждается расчетами, несмотря на значительные усилия, предпринимаемые в этом направлении. При 15 C, Ksp для Ca. CO 3 составляет 6, 0 x 10 -9 (моль/л)2. Следуя ионной концентрации Са 2+ в морской воде (0, 01 моль/л) можно написать: При высокой концентрации или ионной силе, как это имеет место в морской воде, концентрацию следует заменить активностью. Коэффициент активности 0, 26 для Са 2+ и 0, 20 для СО 32 -. Можно сказать, что океан представляет пересыщенный раствор Са. СО 3
Комплексообразующие соединения кальция Фото by Jeremy Young На микрофотографии (сканирующий электронный микроскоп) при увеличении в 12000 раз изображена коккосфера Emiliania huxleyi, составленная из блюдцеобразных кокколитов из карбоната кальция. Это фотосинтетическая морская водоросль производит внутри себя кальцитовые структуры и выталкивает их на поверхность клетки. E. huxleyi играет важную роль в океаническом глобальном круговороте углерода на протяжении 200, 000 лет. Изучение и понимание механизмов контроля синтеза и сборки их биоминерализованных структур позволит создать новые материалы и биомедицинские инструменты.
Глобальные потоки кальция Overall Global Biogeochemical Fluxes of Calcium Для глобальных потоков кальция биологический цикл и водная миграция ионов с почвы в океан наиболее важны. Около 1, 5 -3, 1 х109 тонн Ca в год вовлекаются в биологический цикл в наземных экосистемах. В океанических экосистемах эта величина соответствует 1, 5 -3, 1 х109 тонн в год. Годовой континентальный сток ионов Са 2+ в океан составляет 0, 48 х109 тонн. Такое же количество переносится в виде суспензии, 0, 48 х109 тонн/год. Кроме этого, 0, 47 х109 тонн/год переносит ветер с суши в океан. Среднее содержание кальция в осадках океана 0. 36 мг/л (Savenko, 1976). Общий годовой накопительный поток кальция в океане составляет 0, 16 х109 тонн, включая около 20% сухого материала, 0, 03 х109 тонн/год (Dobrovolsky, 1994). Общее количество Ca, поступающее в атмосферу из океана около 0, 20 х109 тонн в год. Около 0, 02 х109 тонн/год транспортируется в наземные экосистемы, и соответствующее количество возвращается в океан (Table 31). Среднее содержание кальция в наземных запасах около 3 мг/л и годовой поток в наземные экосистемы 0, 34 х109 тонн. Поэтому, годовой поток кальция в системе сушаатмосфера - 0, 41 х109 тонн в год. Можно убедиться, что основные потоки кальция в наземных экосистемах связаны с биогеохимическим обменом между почвой и растениями. Эти потоки на 1– 2 порядка выше, чем аналогичные потоки в океанических экосистемах, и запасающие потоки с суши в океан и обратно. Средний биогеохимический поток кальция в системе атмосфера-суша-океан 38, 0 -60, 5 х109 тонн в год и эти различия связаны с неточностью оценки содержания Ca в наземных фотосинтезирующих организмах.
Объем гидросферы и активность ее водообмена Части гидросферы Объем (тыс. км 3) Смена запасов (число лет*) Океан 1 370 000 3000 Подземные воды — все, в т. ч. зоны более активного 60 000 (4 000) водообмена Ледники Почвенная влага Бессточные и проточные озера Реки Пары атмосферы Вся гидросфера (5000) (330) 24 000 82 8000 1 230 10 1, 2 14 1 454 327 0, 032 0, 027 2800
Иод — редкий элемент. Его кларк всего 400 мг/т, особенность — крайняя рассеянность в природе. Будучи далеко не самым распространенным элементом, иод присутствует практически везде. Находится в виде иодидов в морской воде (20 — 30 мг на тонну морской воды). Присутствует в живых организмах, больше всего в водорослях (5 кг на тонну высушенной морской капусты (ламинарии)). Известен в природе также в свободной форме, в качестве минерала, но такие находки единичны, — в термальных источниках Везувия и на о. Вулькано (Италия). Йод активно участвует в биогеохимическом кругообороте веществ в природе. Основной кругооборот йода осуществляется между океаном и континентом: океан - атмосфера - почвы - реки - океан. Существование йодного цикла в природе определяется способностью образовывать соединения йода с различной валентностью, обладающие относительно неустойчивостью, высокой растворимостью в воде и летучестью в элементном состоянии (J 2). Из атмосферы йод возвращается в почву с дождевой водой, концентрация йода в которой колеблется в пределах 1, 8 -8, 5 мкг/л. Однако, возвращение йода в почву происходит очень медленно и в относительно малом, по сравнению с предшествовавшей потерей, количестве. Повторные смывы с почвы влекут за собой формирование дефицита йода в окружающей среде. В результате, все растения, произрастающие на такой почве, имеют низкое содержание йода (не более 10 мкг/кг сухого веса). Это обуславливает тяжелую йодную недостаточность у значительной части населения мира, живущего за счет натурального или полунатурального хозяйства.
В круговороте йода в ландшафте большую роль играет растительность. От нее зависит направленность почвообразования, передвижение йода в почвенной толще. Сами растения в зависимости от их систематической принадлежности и условий произрастаний в неодинаковой мере поглощают и накапливают в своих тканях йод, тем самым принимают разное участие в круговороте элемента в ландшафте. Растения обладают способностью абсорбировать йод непосредственно из атмосферы, как через кутикулы, так и путем адгезии частиц на ворсистой поверхности листьев. При повышенной влажности почвы подвижность соединений йода увеличивает интенсивность поступления микроэлемента в растения. Накопление йода, как правило, отмечается в надземной части растения, а не в корневой. Этот факт можно объяснить тем, что ворсистая поверхность листьев растения как бы собирает на себе йод. Причем именно атмосферный йод можно рассматривать как один из важнейших источников поступления йода в растение [4]. Cемейства злаковых и розоцветных имеют самые низкие концентрации йода, а из семейства сложноцветных – самые высокие. Лесные растения высокогорья, произрастающее на кислых почвах, накапливает йода больше, чем растения и степи.
Скачать презентацию Биогеохимический цикл кальция BIOGEOCHEMICAL CYCLE OF CALCIUM Кальций
Биогеохимия кальция.ppt